污水人工湿地生态处理技术及其在污水回用领域的应用

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污水人工湿地生态处理技术及其在污水回用领域的应用

一、 引言

随着人口剧增、工业化及城市化进程加速, 水污染问题日趋严重, 保护水环境的任务变得越来越艰巨。在各种污水处理方法中, 生态处理技术由于投资少、操作简单、处理效果好、抗冲击力强, 同时可使污水处理与创建生态景观有机结合起来, 具有良好的环境效益、经济效益及社会效益, 已逐步被越来越多的国家所接受, 并广泛予以应用。人工湿地是借鉴自然湿地系统原理, 由人工建造和监督控制的湿地系统, 利用生态系统的物理、化学和生物的三重协同作用, 通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等作用来实现对污水的高效净化。采用人工湿地净化污水最早始于1953 年德国的MaxPlanck, 该研究所的Seidel 博士在研究中发现芦苇能去除大量有机和无机物。随后在1972 年由Kickuth提出的根区理论[, 掀起了人工湿地研究与应用的热潮。在20 世纪70 年代末和80 年代初, 仅在丹麦就建立了30 多个人工湿地废水处理场 , 在欧洲则有5 000 多个潜流人工湿地污水处理系统。目前, 国外不少学者和工程技术人员通过对人工湿地处理工艺的改进和组合, 已成功用于处理各类不洁的水体, 包括家畜与家禽的粪水、尾矿排出液、工业污水、农业废水、垃圾场渗滤液、城市暴雨径流或生活污水、富营养化湖水等等。而且其应用不再局限于气候较暖和的地区, 在严寒地区也能取得很好的运行效果 。我国是在20 世纪80 年代中期开始对人工湿地处理污技术进行研究的, 并在1990 年建成了我国第一个完整的处理城镇污水的人工湿地示范工程深圳白泥坑人工湿地污水处理系统, 随后分别在北京、天津、深圳、上海和四川等地建立了不同类型的试验或示范人工湿地污水处理系统 。目前人工湿地在国内的处理范围也很广泛, 包括城镇生活污水的处理, 农业、畜牧业、食品、矿山等工农业废水的处理、城市或公路径流等非点源污染的处理等。目前由于资金的缺乏及对污水处理难度大等问题,使得小城镇企业不断产生大量废水就地排放, 污染了周边的环境, 影响了人民的生活质量。因此, 具有高效率、低成本、低维护技术、低能耗等优点的人工湿地污水处理系统, 基本符合低碳经济原则, 在我国特别是中小城镇及广大农村具有广阔的应用前景。

二、人工湿地定义

人工湿地与天然湿地是两个不同的概念， 实际工作中，常有混淆。根据《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ 2005-2010）文件的界定，人工湿地系指“人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用使污水得到净化”的一种工程构造体。而天然湿地系指有高等生物（包括动植物及微生物）的水环境，包括沼泽、浅水湖泊、自然河道、水域湖滨带、农田、滨水公园等。

1、人工湿地的形式

按照人工湿地污水流动方式， 将人工湿地分为表面流人工湿地和潜流人工湿地。潜流型人工湿地有水平流（Horizontal flow）和垂直流（Vertical flow）两种形式。垂直流人工湿地又可分为下行垂直流流人工湿地（Down flowconstructed wetland） 和上行垂直流流人工湿地（Upflowconstructed wetland）两类[2]。按照人工湿地工程工艺组合方式，可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地以及复合型人工湿地[3，4]。复合型人工湿地系指，将不同类型的人工湿地工艺，根据场地、气候环境、水质参数及达标要求等客观条件进行系统、优化组合，使其达到最优的净化和处理效果，其所设计和建造出来的人工湿地即复合型人工湿地。不同工艺类型都有其所针对处理的污染形态，单一工艺形态的人工湿地往往不能完全满足污水处理的要求，因此复合型人工湿地是人工湿地建设的常态化工艺组合。

2、人工湿地的组成

人工湿地污水处理系统是一套复杂的、完善的生物净化处理系统，其主要组成要件有3 个，分别是植物、微生物及微型生物、基质。其植物系指高等维管束植物，包括挺水植物、浮水植物、浮叶植物和沉水植物等。其微生物、微型生物系指植物根系周围的区系微生物、基质表面生物膜及周边的微生物，包括细菌、原生动物、次生动物、浮游植物、浮游动物等。其基质系指人工湿地池床中填充的沙砾、碎石或土壤，主要起到支撑高等植物生长，基质表面附着微生物形成生物膜的作用，是人工湿地净化污水的主要部件之一。在实际运行中，人工湿地系统的水质净化功能并不仅仅是基质、植物、微生物各自净化功能简单加合的结果。笔者认为人工湿地的本质之一就是将基质、植物、微生物以合适的构型和配比组合在一起并形成人工生态系统，从而发挥出“1+1+1>3”的系统效应，达成高效持续的净化效果。

三、人工湿地系统内污染物的去除机理

人工湿地污水处理是一个化学处理、物理处理和生物处理相结合的过程。其化学处理过程是氧化分解，物理处理过程是过滤和吸附， 生物处理过程是吸收利用和分解。人工湿地污水处理系统所针对的污染物（环境影响主力因子）主要为氮、磷、悬浮物（SS）、有机物（BOD、COD）、重金属及病原物。

1、氮的去除

氮是影响水体富营养化的主要因子， 影响水体水质的指标主要为总氮（TN）和氨氮（NH3-N）。污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的， 此外也含有少数的氨态氮如氨气（NH3）及铵（NH4+）等。氮的去除主要依靠硝化/反硝化反应、氨气挥发、氨化、植物吸收和填料附着几种形式。微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物， 其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮。硝化反应是在好氧条件下，硝化细菌将铵离子（NH4+）转化为硝酸盐氮（NO3-）和亚硝酸盐氮（NO2-）的过程，以利植物的吸收和利用。反硝化反应是指在无氧的条件下， 反硝化菌将硝酸盐氮（NO3-）和亚硝酸盐氮（NO2-）还原为氮气，并部分释放到空气中的过程。人工工地污水处理系统中氮的去除过程， 是一个通过氮的氨化、硝化/反硝化作用，将高分子复杂的有机氮转化为低分子简单的无机氮， 再将无机氮转化为可消耗分解、吸收利用和挥发的离子态氮的过程[6]。另外，一些形态稳定不易分解的氮体，会为填料表层所形成的生物膜吸附并附着，截留于人工湿地的填料中。

2、磷的去除

污水中的磷主要是以有机磷和无机磷两种形式存在，其去除途径主要包括微生物同化、填料吸附、植物吸收及污泥沉淀几种形式。而工程实际及理论研究均表明，污水中磷的去除是以填料吸附及污泥沉淀为主[7]。

3、悬浮物的去除

悬浮物（SS）的去除主要通过填料的过滤、污泥沉淀及根系附着来完成。高水力负荷人工湿地污水处理系统中的藻类物质及SS 的去除率可以达到99.93%[8]。

4、有机污染的去除

人工湿地系统中， 不溶性的有机物主要通过物理反应，如湿地的沉淀、过滤作用而被截留；可溶性的有机物则通过系统填料及植物根系表层所衍生生物膜的吸收、吸附及生物降解过程而被分解去除。其分解降解的过程由多种微生物通过好氧和厌氧代谢来完成[9]。在人工湿地系统中，基质、植物、微生物各自都具有污染物净化功能，例如采用炉渣为基质的人工湿地系统具有较强的除磷效果；选择芦苇、风车草等为湿地配置植物，可在植物速生期吸收、脱离大量的氮磷；而湿地基质和植物__根系表则可能富集反硝化菌，实现反硝化脱氮。

5、重金属的去除

人工湿地对重金属的去除主要集中在植物对重金属的去除作用上，包括植物的稳定、生物富集和摄取吸附。另外还可以通过植物挥发、甲基化等作用达到目的。另一方面，就是湿地填料对重金属的固着和吸附[12]。

四、人工湿地的组合与运行机理

完整的人工湿地污水处理系统一般由预处理工艺、前处理工艺、主体处理工艺和末端处理工艺4 个部分组成。不同类型的污水其处理工艺组合不尽相同， 一些工程的预处理和前处理工艺合二为一，或没有末端处理工艺。组成复合型人工湿地的工艺形式主要有以下几类，其所针对处理的污染物及机理如下。

1、预处理系统

在实际工程中， 预处理系统属于污水进入人工湿地污水处理系统前的物理处理工艺，一般包括栏污格栅、缓冲池、沉沙池及快速渗滤池等。实际工程中，往往结合相关工艺进行，如缓冲池结合沉沙池建造。

2、前处理系统

前处理系统是指人工湿地污水处理工程的前端（或称前段）处理工艺，其主要作用是通过生物降解，降低污染负荷、分解大颗粒污染分子，将复杂的有机物转化为简单的无机物等。常见的前处理工艺包括生物塘、水解酸化池、接触氧化池等。

3、人工湿地污水处理主体工艺

此处所说的主体处理工艺即表面流人工湿地、垂直潜流人工湿地及水平潜流人工湿地3 种工艺类型。一般主处理工艺所占面积约为整个工程面积的60%～70%左右，所以称为主体处理工艺。

（1） 表面流人工湿地

表面流人工湿地指污水在基质层表面以上， 从池体进水端水平流向出水端的人工湿地。表面流人工湿地的水力负荷较低，对水体的净化处理效果有限。其主要通过构建好氧生态环境来降解水体污染，并利用植物根系、茎表组织等器官的吸收作用来去除部分富营养物质，沉淀部分絮状物以达到净化水质的目的[13]。表面流人工湿地的表面水力负荷为<0.1m3/m2/d，实际操作时，具体的水力负荷还应根据水质情况考虑。

（2） 垂直潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地是指污水垂直通过池体中基质层

的人工湿地。垂直潜流人工湿地中水体从床体表层纵向流向填料床的底层，床体处于相对不饱和状态，因此，氧气可通过污水的垂直滴落、大气扩散与植物的传输进入湿地系统，使系统满足好氧处理的要求， 使系统内污染处理处于硝化反应的过程[14]。据研究结果显示， 垂直潜流人工湿地对氨氮的去除效果较好。其所选择的填料粒径在（1.0～2.0） cm 之间。

（3） 水平潜流人工湿地

水平潜流人工湿地是指污水在基质层表面以下，从池体进水端水平流向出水端的人工湿地。水平潜流人工湿地的填料系统，处于底部厌氧、中部兼氧和上部好氧的状态， 适宜湿地系统内微生物的好氧和厌氧代谢，对各种有机污染的处理效果相对较好[15]。水平潜流人工湿地的填料粒径在（2.0～6.0） cm 之间。

4、 后处理

人工湿地系统的后处理工艺， 也叫末端处理工艺，通常起到杀菌消毒、强化出水水质、改善景观效果等的作用。常用的工艺主要包括表流湿地和好氧生物塘（水景塘）造景、沙滤池过滤、紫外线消毒或配药消毒等。

五、人工湿地应用于污水回用中的优点

人工湿地是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面, 它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的协同作用来实现对污水的净化。它是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中, 由土壤和填料混合组成填料床, 废水可以在床体的填料缝隙中流动, 或在床体的表面流动, 并在床的表面种植具有处理性能好、成活率高、抗水性能强、成长周期长、美观及具有经济价值的水生植物, 形成一个独特的生态环境, 对污水进行处理。人工湿地在污水回用上具有处理效果好、低投资、低运转费、低维护技术、灵活组合针对性强等优点。

1、处理效果好

人工湿地的显著特点之一是其对有机物有较强的降解能力。二级处理后的污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用, 可以很快地被截留而被微生物利用; 污水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。我国大多数的二级污水处理厂出水中N、P 的含量较高,湿地对N 、P 有很高去除率, 可分别达到80%、90%以上。而传统的污水回用工艺对N 、P 的去除率仅能达到20%~40%。污水中的氮、磷可直接被湿地中的植物吸收, 通过对植物的收割而从污水和湿地中去除。随着处理过程的不断进行, 湿地床中的微生物相应地繁殖生长, 通过对湿地床填料的定期更换最终将有机物及氮、磷从系统中去除。此外, 人工湿地对微量元素和病原体也有相当高的去除率。

2、 低投资、低运行费、低维护技术

据国外统计, 一般湿地系统在污水处理方面的投资和运行费用仅为传统的二级污水厂的1/10~1/2。对我国已建成或正在建的常规生化二级水处理厂投资进行分析, 也表明人工湿地的投资远远低于常规二级水处理设施。在污水回用方面, 由于人工湿地工艺无需曝气、投加药剂和回流污泥, 也没有剩余污泥产生, 因而可大大节省运行费用,通常只消耗少量电能, 处理费用一般不会超过0.05 元/m 3。至于维护技术, 由于人工湿地基本上不需要机电设备, 故维护上只是清理渠道及管理作物。

3、灵活组合针对性强

人工湿地污水处理系统由人工基质和水生植物两部分组成, 不同基质对同种污染物处理能力不同, 且组合基质除污能力要优于单一基质。人们可以根据污水中污染物种类、特征选取不同基质或采取组合基质。此外, 不同植物类型对不同污染物也有特异性, 可以根据需要灵活地对人工湿地污水处理系统进行组合。

六、目前人工湿地存在的问题

1、基质种类单一

大多数人工湿地的基质材料为土壤、砾石和沙中的一种或几种, 这对于以有机物和悬浮物为主要污染物的水体, 基本可达到预期处理效果, 但对含特殊污染物的水体, 其处理效果十分有限。

2、植物种类单一

与自然湿地相比较, 自然湿地中分布广泛的湿生和沼生植物应用较少。其次, 大多数人工湿地只选种一种或两种植物, 这种相对单一的植物系统必然影响人工湿地的处理效果。

3、人工湿地类型单一

对含特殊污染物或污染负荷比较高的水体难以达到处理效果。从目前情况看, 表面流人工湿地应用较少, 绝大多数为水平潜流人工湿地, 少数地区采用垂直流人工湿地。

4、人工湿地处理污水机理有待进一步研究

湿地去污机理复杂, 人工湿地处理污水的机理的研究相对薄弱, 无法为其工艺设计提供有力的理论指导。

七、结论

人工湿地系统水质净化技术是一种生态工程方法, 它利用植物———微生物———基质联合作用从而有效去除污染物质, 出水达到我国农田灌溉水质标准。该技术简便易行, 工艺先进, 运行可靠, 操作简单, 运行管理费用低廉, 并且不会对环境产生影响, 在城市污水回用方面是可行的, 代替二级污水处理厂是完全有可能的。

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